無線傳感器原理及應用

本書根據信息技術發展的趨勢，結合多年的教學、科研經驗，從實用角度編寫。其特點在於，介紹無線傳感器核心技術——56個典型應用實例的電路組成特點，供讀者參考、借鑒。 本書共9章，第1章介紹無線傳感器的類型特點，第2章介紹傳感器的組成、分類、靜動態數學模型、特性與標定、選用方法與技巧，第3章介紹無線傳感器的電波、遙控特點、頻率範圍、收發組成、專用器件，第4章介紹紅外遙感特性、定律與傳輸方程、遙感載荷、光電管、熱釋電傳感器，第5章介紹光敏電阻、光電池、發光二極管、光電晶閘管、磁控傳感器應用技術，第6章介紹聲傳感器、超聲傳感器、語音傳感器、音頻傳感器、專用集成塊等應用技術，第7章介紹無線傳感器網絡結構特點、定位跟蹤、網絡安全、網絡標準、傳感器節點及網絡設計技術，第8章介紹雲計算、大數據、物聯網技術，第9章介紹可與通信衛星相連的、常用的綜合應用典型實例。每章末均有小結和習題。 本書理論與實踐相結合，講解56個典型應用案例，44道課後練習題，適合用作高等院校信息工程、電腦應用、自動控制、機械工程、化學工程、儀器儀表、應用物理、核物理工程、醫學工程、機電一體化、精密儀器測量與控制、汽車與機械等專業的教材，也可以作為科研人員、工程技術人員及自學人員的參考用書。

目  錄

第1章  概述 1

1.1  類型特點 1

1.1.1  無線傳感器的類型 2

1.1.2  無線傳感器的特點 3

1.1.3  5G/6G太赫茲 4

1.1.4  太赫茲的優勢 5

1.2  發射與接收原理 6

1.2.1  無線發送設備的組成 6

1.2.2  無線接收設備的組成 8

1.3  遙控技術 9

1.3.1  有線和無線 9

1.3.2  系統的組合方式 10

1.3.3  遙控原理 11

1.3.4  遙控系統原理分析舉例 12

1.3.5  無線系統的操作過程 13

1.4  應用前景 13

1.4.1  國防應用 13

1.4.2  工農業應用 14

1.4.3  日常生活應用 14

1.4.4  其他應用 14

1.4.5  發展前景 15

1.5  小結 16

1.6  習題 16

第2章  無線傳感器基礎 17

2.1  組成與分類 17

2.1.1  概念與組成 18

2.1.2  分類 19

2.2  理論基礎 20

2.2.1  靜態數學模型 21

2.2.2  動態數學模型 22

2.3  基本特性 23

2.3.1  靜態特性 23

2.3.2  動態特性 26

2.4  標定 27

2.4.1  靜態標定 27

2.4.2  動態標定 28

2.5  現狀與發展方向 28

2.5.1  現狀 28

2.5.2  發展方向 29

2.6  選用註意事項 30

2.6.1  選用要求 30

2.6.2  選用原則與方法 31

2.7  小結 34

2.8  習題 34

第3章  無線遙控技術 35

3.1  電波及遙控特點 35

3.1.1  無線電波 35

3.1.2  遙控特點與頻率範圍 36

3.2  發射器和接收器的組成 37

3.2.1  發射器的組成 37

3.2.2  接收器的組成 38

3.3  無線發射器 39

3.3.1  對發射器的要求 39

3.3.2  主振器 39

3.3.3  中頻放大器 41

3.3.4  高頻功率放大器 43

3.3.5  多調制電路 44

3.4  發射天線 46

3.4.1  鞭狀發射天線 46

3.4.2  全向天線 47

3.4.3  定向天線 48

3.5  無線接收器 50

3.5.1  技術指標 50

3.5.2  接收電路 51

3.6  專用器件 53

3.6.1  RX5019-20發射—接收器件 53

3.6.2  LM555-C時基電路 54

3.6.3  TDC1808-09遙控專用器件 57

3.6.4  RCM1A-1B發射接收器件 57

3.7  工程應用案例 58

3.7.1  RX5019-20收發器 58

3.7.2  TDC1808-09收發器 59

3.7.3  RCM1A-1B收發器 60

3.7.4  兒童或老人丟失報警器 61

3.7.5  遙控窗簾器 62

3.7.6  音式收發裝置 65

3.7.7  門鈴收發裝置 66

3.7.8  家電遙控裝置 67

3.8  小結 69

3.9  習題 69

第4章  紅外線遙控技術 70

4.1  概念與特性 70

4.1.1  基本概念 70

4.1.2  基本特性 71

4.2  紅外遙感基礎 71

4.2.1  輻射參數 71

4.2.2  輻射定律 73

4.3  輻射特性 76

4.3.1  太陽輻射特性 76

4.3.2  地表輻射特性 77

4.4  傳輸方程 80

4.4.1  大氣成分及分佈 80

4.4.2  大氣吸收散射與輻射 80

4.4.3  大氣輻射傳輸方程 82

4.4.4  輻射在大氣中的傳輸 83

4.4.5  遙感傳感器寬通道紅外輻射傳輸方程 86

4.4.6  熱紅外輻射大氣傳輸計算軟件 88

4.5  遙感載荷 90

4.6  常用紅外傳感器 93

4.6.1  紅外發光二極管 93

4.6.2  光電二極管 96

4.6.3  光電三極管 99

4.7  專用集成電路 101

4.7.1  集成塊結構 101

4.7.2  工作原理 101

4.7.3  引腳參數設置 102

4.7.4  接收電路 102

4.8  遙控原理 102

4.8.1  紅外線遙控的特性 103

4.8.2  紅外線遙控的原理 103

4.8.3  常用的紅外光發射器電路 104

4.9  設計方法 105

4.9.1  設計要點 105

4.9.2  發射器的設計要求 106

4.9.3  接收器的設計要求 107

4.9.4  發射器的造型設計 107

4.10  設計舉例 107

4.10.1  設計題目與指標 107

4.10.2  紅外線遙控發射電路 108

4.10.3  接收器件 108

4.10.4  接收電路 109

4.11  工程應用案例 110

4.11.1  單通道紅外遙控 110

4.11.2  家用多路紅外遙控 110

4.11.3  9功能遙控 111

4.11.4  商品語音介紹機 112

4.11.5  濕手烘乾器 113

4.12  熱釋電紅外傳感器 114

4.12.1  工作原理 114

4.12.2  組成結構 115

4.12.3  傳感器件 116

4.12.4  菲涅爾透鏡 116

4.13  熱釋電傳感器應用案例 117

4.13.1  人體移動檢測 117

4.13.2  防盜報警 118

4.13.3  紅外遙控 118

4.14  小結 120

4.15  習題 120

第5章  光磁遙控技術 122

5.1  轉換原理 122

5.1.1  外光電效應 122

5.1.2  內光電效應 123

5.2  光敏電阻與光電池傳感器 124

5.2.1  光敏電阻 124

5.2.2  光電池 126

5.3  發光二極管的特性與驅動 129

5.3.1  外形與符號 129

5.3.2  光譜與伏安特性 129

5.3.3  驅動電路 130

5.4  光電耦合器 132

5.4.1  結構原理 132

5.4.2  特性參數 133

5.4.3  選用要點 134

5.5  光電晶閘管 135

5.5.1  結構特性 135

5.5.2  原理類型 136

5.6  工程應用案例 137

5.6.1  台燈遙控 137

5.6.2  硅光電池遙控 138

5.6.3  心電圖測量儀 138

5.6.4  傳輸自動線堵料監視 139

5.6.5  斷料監視 139

5.6.6  玻璃瓶計數 140

5.6.7  太陽能熱水器自動跟蹤 141

5.6.8  雞舍溫度遙控 142

5.7  磁控傳感器及工程應用 143

5.7.1  霍爾集成元件與應用 143

5.7.2  磁控式遙控 145

5.7.3  整經機（電機）磁控 145

5.7.4  保安監視 147

5.8  小結 147

5.9  習題 148

第6章  聲控技術 149

6.1  聲傳感器 149

6.1.1  基本原理 149

6.1.2  壓電陶瓷片與駐極體話筒 151

6.1.3  聲控電路組成 156

6.2  聲傳感器應用案例 166

6.2.1  聲控開關 167

6.2.2  脈搏跳動監視 168

6.2.3  車胎漏氣檢測儀 170

6.2.4  聲控自動門 170

6.3  超聲波傳感器 172

6.3.1  基本概念 172

6.3.2  結構與特性 175

6.3.3  專用器件 178

6.3.4  遙控方式與組成 182

6.3.5  發射接收電路 184

6.4  超聲傳感器應用案例 187

6.4.1  超聲開關 187

6.4.2  超聲探測 188

6.4.3  超聲波遙控電機調速 189

6.5  語音傳感器 190

6.5.1  語音信號 190

6.5.2  語音信號的合成 193

6.5.3  語音識別 194

6.6  語音傳感器應用案例 198

6.7  音頻傳感器 201

6.7.1  音頻信號與執行器件 201

6.7.2  專用集成電路 203

6.8  音頻傳感器應用案例 206

6.8.1  音頻開關 206

6.8.2  家電音頻遙控 207

6.8.3  音頻尋呼器 209

6.9  小結 214

6.10  習題 215

第7章  無線傳感器網絡 216

7.1  結構特點 216

7.1.1  體系結構 216

7.1.2  系統特徵 218

7.2  定位跟蹤 220

7.2.1  時間同步 220

7.2.2  定位算法 227

7.2.3  數據管理 232

7.2.4  目標跟蹤 237

7.3  網絡安全 243

7.3.1  安全分析 243

7.3.2  安全體系結構 245

7.3.3  協議棧的安全 245

7.3.4  密鑰管理 249

7.3.5  入侵檢測 255

7.4  網絡標準 258

7.4.1  ISO/IEC JTC1 WG7標準 259

7.4.2  無線傳感器網絡相關標準 259

7.5  傳感器節點及網絡設計 265

7.5.1  傳感器節點的分類 265

7.5.2  傳感器節點硬件設計 265

7.5.3  網絡開發測試平臺 269

7.6  工程應用設計案例 274

7.6.1  智能家居系統 274

7.6.2  智能溫室系統 278

7.6.3  智能遠程醫療監護系統 281

7.7  小結 287

7.8  習題 287

第8章  雲計算大數據應用 288

8.1  雲計算的結構特點 288

8.1.1  類型特點 288

8.1.2  組成及關鍵技術 295

8.2  物聯網中的雲計算 303

8.2.1  雲計算與物聯網 303

8.2.2  雲計算在物聯網中的應用—醫療助手與120導航 305

8.3  大數據 306

8.3.1  類型特點 306

8.3.2  架構與關鍵技術 309

8.4  物聯網中的大數據 311

8.4.1  大數據與物聯網 311

8.4.2  大數據在物聯網中的應用 312

8.5  小結 312

8.6  習題 313

第9章  綜合應用舉例 314

9.1  智能住宅安防系統 314

9.1.1  功能介紹 314

9.1.2  系統硬件 315

9.1.3  系統軟件 317

9.2  水電紅外智能遙控 318

9.2.1  工作原理 318

9.2.2  元器件的選擇 320

9.2.3  安裝與調試 320

9.3  微電腦紅外空調遙控 320

9.3.1  遙控發射器 321

9.3.2  遙控接收器 323

9.4  百米多鍵遙控 326

9.4.1  遙控專用集成電路 326

9.4.2  遙控發射器 328

9.4.3  遙控接收器 329

9.5  光磁摸合體遙控 333

9.5.1  電路的工作原理 333

9.5.2  元件選擇及裝調 334

9.6  橋梁及糧倉監測 335

9.6.1  橋梁健康檢測及監測 335

9.6.2  糧倉溫濕度監測 336

9.7  其他監測 339

9.7.1  混凝土澆灌溫度監測 339

9.7.2  地震監測 339

9.7.3  建築物振動檢測 339

9.7.4  無線抽水泵系統 339

9.7.5  無線模擬量與開關量檢測 340

9.7.6  主從站多種信號檢測 341

9.8  小結 342

9.9  習題 342

附錄A  無線遙控專用集成器件型號 343

附錄B  數字集成塊與三端穩壓集成塊參數 346

附錄C  SS0001遙控通用傳感器參數 348

附錄D  CC2530芯片簡介 349

參考文獻 351